Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) desenvolveram e analisaram um novo catalisador para a oxidação do 5-hidroximetil furfural, o que é crucial para a geração de novas matérias-primas que substituam as clássicas não renováveis ​​usadas na fabricação de muitos plásticos.

Não deve ser surpresa para a maioria dos leitores que encontrar uma alternativa aos recursos naturais não renováveis ​​é um tópico chave na pesquisa atual. Algumas das matérias-primas necessárias para a fabricação de muitos dos plásticos atuais envolvem recursos fósseis não renováveis, carvão e gás natural, e muito esforço tem sido dedicado a encontrar alternativas sustentáveis. 2, O ácido 5-furanodicarboxílico (FDCA) é uma matéria-prima atraente que pode ser usada para criar furanoato de polietileno, que é um bio-poliéster com muitas aplicações.

Uma maneira de fazer FDCA é através da oxidação de 5-hidroximetil furfural (HMF), um composto que pode ser sintetizado a partir da celulose. Contudo, as reações de oxidação necessárias requerem a presença de um catalisador, o que auxilia nas etapas intermediárias da reação para que o produto final seja alcançado.

Muitos dos catalisadores estudados para uso na oxidação de HMF envolvem metais preciosos; isto é claramente uma desvantagem porque esses metais não estão amplamente disponíveis. Outros pesquisadores descobriram que os óxidos de manganês combinados com certos metais (como ferro e cobre) podem ser usados ​​como catalisadores. Embora este seja um passo na direção certa, uma descoberta ainda maior foi relatada por uma equipe de cientistas da Tokyo Tech:dióxido de manganês (MnO ₂ ) pode ser usado por si só como um catalisador eficaz se os cristais feitos com ele tiverem a estrutura adequada.

O time, que inclui o professor associado Keigo Kamata e o professor Michikazu Hara, trabalhou para determinar qual MnO ₂ estrutura de cristal teria a melhor atividade catalítica para fazer FDCA e por quê. Eles inferiram por meio de análises computacionais e da teoria disponível que a estrutura dos cristais era crucial por causa das etapas envolvidas na oxidação do HMF. Primeiro, MnO ₂ transfere uma certa quantidade de átomos de oxigênio para o substrato (HMF ou outros subprodutos) e torna-se MnO2-δ. Então, porque a reação é realizada sob uma atmosfera de oxigênio, MnO2-δ oxida rapidamente e se torna MnO ₂ novamente. A energia necessária para este processo está relacionada à energia necessária para a formação de vacâncias de oxigênio, que varia muito com a estrutura do cristal. Na verdade, a equipe calculou que os locais de oxigênio ativo tinham uma energia de formação de vacância mais baixa (e, portanto, melhor).

Para verificar isso, eles sintetizaram vários tipos de MnO ₂ cristais, como mostrado na figura, e, em seguida, comparou seu desempenho por meio de várias análises. Destes cristais, β-MnO ₂ foi o mais promissor por causa de seus locais ativos de oxigênio planar. Não apenas sua energia de formação de vacância foi menor do que a de outras estruturas, mas o próprio material provou ser muito estável, mesmo depois de ser usado para reações de oxidação em HMF.

A equipe não parou por aí, no entanto, como eles propuseram um novo método de síntese para produzir β-MnO altamente puro ₂ com uma grande área superficial para melhorar o rendimento de FDCA e acelerar ainda mais o processo de oxidação. "A síntese de β-MnO de alta área de superfície ₂ é uma estratégia promissora para a oxidação altamente eficiente de HMF com MnO ₂ catalisadores, "afirma Kamata.

Com a abordagem metodológica da equipe, o futuro desenvolvimento de MnO ₂ catalisadores foi iniciado. "Funcionalização adicional de β-MnO ₂ abrirá um novo caminho para o desenvolvimento de catalisadores altamente eficientes para a oxidação de vários compostos derivados de biomassa, “conclui Hara. Pesquisas como esta garantem que matérias-primas renováveis ​​estejam disponíveis para a humanidade evitar todo tipo de crise de escassez.